一种高强高导热铝合金材料的制备方法

摘要

本发明公开一种高强高导热铝合金材料的制备方法，属于有色金属材料领域。以三甲基铝、三乙基铝等烷基铝和二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等酰胺为原料制备烷基铝中间体，再将固态的中间体分离出来后与铝合金粉末混合均匀，最后在一定温度和真空条件下加热，获得氮化铝和铝合金的混合粉体，将粉体填充入模具中，经过压制、烧结后即可获得高强高导热的铝合金材料。本发明中的氮化铝为低温生成，其表面无污染并与铝基体的相容性良好，氮化铝的加入在提高合金力学性能的同时也显著提升了铝合金的导热率，在5G通讯基站散热器、空调散热器等铝合金零部件上具有广阔的应用前景。

权利要求

1.一种高强高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）将烷基铝溶解于酰胺中，滴入氨水得到混合溶液，调节混合溶液的pH值在8 10之~间，然后将混合溶液放入恒温水浴锅中加热，冷却后得到含有烷基铝酰胺中间体的溶液；

（2）将步骤（1）得到溶液中的烷基铝酰胺中间体分离出来，采用真空球磨将其与铝合金粉末混合均匀，然后将混合粉体放入真空高温炉中，加热获得氮化铝和铝合金的混合粉体；

其中，铝合金粉末与分离后的烷基铝酰胺中间体的摩尔比为1:(0.1 0.3)；

~

（3）将AlN/铝合金混合粉体填充入零件对应形状的模具中，经过压制、烧结后得到高强高导热的铝合金材料；

步骤（2）中真空球磨条件是真空度0.01 0.5Pa，球磨转速100 400r/min，球磨时间为4~ ~ ~

8h；

步骤（2）中真空高温炉处理是真空度0.1 1Pa，高温炉温度为350 450℃，保温时间为1~ ~ ~

3h。

2.根据权利要求1所述高强高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述烷基铝为三甲基铝、三乙基铝、三异丁基铝和二氯乙基铝中的任意一种。

3.根据权利要求1或2所述高强高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述酰胺为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的任意一种。

4.根据权利要求3所述高强高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述混合溶液中烷基铝、酰胺、氨水的摩尔比为1:(0.4 0.7):(0.05 0.23)。

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5.根据权利要求1或4所述高强高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）恒温水浴锅中加热的条件为：65‑80℃，加热4 6h。

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6.根据权利要求5所述高强高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）固态烷基铝酰胺中间体的分离方法为采用市售高速离心机或旋转蒸发仪进行分离。

7.根据权利要求1或6所述高强高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中铝合金粉末为Al‑Si系、Al‑Cu系、Al‑Mg系或Al‑Zn系合金粉末，粒径为50 200nm。

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8.根据权利要求1所述高强高导热铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中的烧结温度为580 630℃，时间为0.5 1h。

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说明书

一种高强高导热铝合金材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高强高导热铝合金材料的制备方法，属于有色金属材料领域。

背景技术

[0002] 铝及其合金具有优良的综合性能，如良好的导热性、塑性和加工性能。此外，铝合金材料也具备较好的高温性能、成型性能、切削加工性、铆接性以及表面处理性能。因此，铝合金在航天、航空、汽车、交通运输、桥梁、建筑、电子电气、能源动力、机械制造、电器家具等各个领域都获得了十分广泛的应用。随着工业的发展和人们生活水平的提高，电子产品和通信设备等的芯片集成度提高，导致设备功率升高，发热量增加，设备单位体积的散热量也随之增加，这对材料的导热性能提出了更高的要求，以保证产品的使用寿命及工作的稳定性。纯铝具有良好的导热性能，其室温热导率约为237W/(m·K)，在金属材料中，仅次于铜(385 W/(m·K))。然而，纯铝强度太低，仅为69MPa，不能满足工业生产应用要求；因此，一般通过合金化来提高纯铝的强度，但随着合金元素的增加，铝合金的热导率逐渐降低。

[0003] 氮化铝（AlN）的密度为3.26g/cm3，莫氏硬度为7 8，理论上的热导率高达320W/~(m·K)，并且热膨胀系数与硅相近。将氮化铝引入铝合金中，一方面，可以利用氮化铝增强相对位错的阻碍作用提高合金的力学性能；另一方面，也可以利用氮化铝较高的热导率提高铝合金整体的导热性能。因此，含氮化铝增强相的铝基新材料的研发受到国内外科研工作者的重视，并取得一定进展。如中国发明专利201910884968.8公开了一种原位生成AlN和AlB2双相颗粒增强的铝基复合材料的制备方法，该方法是按铝粉与氮化硼纳米片质量比(96‑99):(1‑4)的比例，将铝粉与氮化硼纳米片装入球磨罐中，在惰性气体氛围下，通过球磨使铝粉与氮化硼纳米片混合均匀；将球磨后的粉末装入模具，冷压成型后烧结。中国发明专利201811453938.3公开了一种耐高温AlN和Al2O3共增强的铝基复合材料及其制备方法，该方法首先将超细铝粉压至合适孔隙度，装入包套密封并在其四周钻孔使适量空气能进入；包套放入空气炉中低温加热，实现氧化膜增厚，再升至高温，利用空气中的氮气和氧气分别生成AlN和Al2O3，对高温处理后的粉末进行烧结和热加工，最终获得铝合金材料。然而，上述方法的AlN均是铝粉与BN或空气反应生成，不易调控反应过程和产物体积分数，并且铝粉氮化时会产生大量热量，导致粉末成团甚至熔化，从而无法控制产品质量。

发明内容

[0004] 为了解决铝合金强度和导热性能无法兼顾，传统含AlN的铝合金在制备过程中存在的AlN生成量不可控、铝粉成团熔化、难以大规模批量制备等难题，本发明的目的在于提供一种高强高导热铝合金材料的制备方法，具体包括以下步骤：

[0005] （1）将烷基铝溶解于酰胺中，滴入氨水得到混合溶液，调节混合溶液的pH值在8 10~之间，然后将混合溶液放入恒温水浴锅中加热，冷却后得到含有烷基铝酰胺中间体的溶液。

[0006] （2）将步骤（1）得到溶液中的烷基铝酰胺中间体分离出来，采用真空球磨将其与铝合金粉末混合均匀，然后将混合粉体放入真空高温炉中，加热获得氮化铝和铝合金的混合粉体。

[0007] （3）将AlN/铝合金混合粉体填充入零件对应形状的模具中，经过压制、烧结后得到高强高导热的铝合金材料。

[0008] 优选的，本发明步骤（1）所述的烷基铝为三甲基铝、三乙基铝、三异丁基铝和二氯乙基铝中的任意一种。

[0009] 优选的，本发明步骤（1）所述的酰胺为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺中的任意一种。

[0010] 优选的，本发明步骤（1）所述混合溶液中烷基铝、酰胺、氨水的摩尔比为1:(0.4~0.7):(0.05 0.23)。
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[0011] 优选的，本发明步骤（1）恒温水浴锅中加热的条件为：65‑80℃，加热4 6h。~

[0012] 优选的，本发明步骤（1）固态烷基铝酰胺中间体的分离方法为采用市售高速离心机或旋转蒸发仪进行分离，其它可以实现的分离方法也可以用于本发明。

[0013] 优选的，本发明步骤（2）中铝合金粉末为Al‑Si系、Al‑Cu系、Al‑Mg系或Al‑Zn系合金粉末，粒径为50 200nm，其中，铝合金粉末与分离后的烷基铝酰胺中间体的摩尔比为1:~
(0.1 0.3)。
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[0014] 优选的，本发明步骤（2）中真空球磨条件是真空度0.01 0.5Pa，球磨转速100~ ~400r/min，球磨时间为4 8h。
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[0015] 优选的，本发明步骤（2）中真空高温炉处理是真空度0.1 1Pa，高温炉温度为350~ ~450℃，保温时间为1 3h。
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[0016] 优选的，本发明步骤（3）中的烧结温度为580 630℃，时间为0.5 1h。~ ~

[0017] 本发明所述压制、烧结方式可以为冷等静压压制+空气炉烧结、热等静压烧结、快速烧结或放电等离子烧结中的任意一种。

[0018] 本发明与现有技术相比的有益效果是：

[0019] 本发明中的氮化铝（AlN）是烷基铝、酰胺和氨水共同反应生成烷基铝中间体，然后在真空350 450℃的条件下生成的，避免了传统方法中铝粉与BN或空气反应生成AlN的不可~控，并且反应温度较低，危险性和成本均下降；并且由于AlN增强体是在铝基体内形核和长大，所以AlN表面无污染，基体与增强相之间的相容性良好，和传统方法相比，由于AlN增强体与铝基体的晶格错配度小于3%，因此可以作为有效的异质形核核心，本发明均匀分布的AlN增强体更有利于细化晶粒，并且根据霍尔佩奇公式，晶粒尺寸与屈服强度等力学性能成反比，晶粒尺寸越小，力学性能越优。

[0020] 采用本发明技术制备的高强高导热铝合金材料，由于AlN对晶粒的细化作用，使材料的力学性能较不含AlN增强相的提高了20%以上；且由于AlN增强相对热导率的贡献，使材料的导热性能也同时得到了12%以上的提高，兼顾了材料的力学性能和导热性能。

附图说明

[0021] 图1为本发明制备的AlN和铝合金的混合粉体形貌；

[0022] 图2为本发明制备的高强高导热铝合金透射电镜显微形貌；

[0023] 图3为未采用本发明制备的铝合金微观组织及晶粒尺寸；

[0024] 图4为采用本发明制备的铝合金微观组织及晶粒尺寸。

具体实施方式

[0025] 下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0026] 实施例1

[0027] 本实施例涉及一种Al‑Si系高强高导热铝合金材料的制备方法，具体步骤如下：

[0028] （1）取三甲基铝溶解于二甲基甲酰胺中，滴入氨水获得混合溶液，其中，三甲基铝、二甲基甲酰胺和氨水的摩尔比为1:0.6:0.1；将混合溶液放入恒温水浴锅中，在75℃下保温5h，冷却得到含三甲基铝酰胺中间体的溶液。

[0029] （2）利用旋转蒸发仪将三甲基铝酰胺中间体从溶液中分离出来，并将其放入球磨罐中，同时称取粒径为100nm的ZL101合金（中国牌号，Al‑Si系合金）粉末放入球磨罐，其中，铝合金粉末与三甲基铝酰胺中间体的摩尔比为1:0.2；在0.1Pa的真空度和300r/min转速下，球磨6h。

[0030] （3）将球磨后的混合粉体放入真空高温炉中，高温炉的真空度为0.5Pa，温度为400℃，保温时间2h，获得氮化铝和Al‑Si系合金的混合粉体，如图1所示。由图1可以看出，采用上述方法可以获得纳米级的AlN和Al‑Si系合金混合粉体，且粉体粒径的均匀性较好，表面无污染。

[0031] （4）将纳米级的AlN和Al‑Si系合金混合粉体填充入模具中，经冷等静压压制+空气炉烧结后（烧结温度600℃，时间为0.5h）即可获得高强高导热铝合金材料，对获得的铝合金材料进行透射电镜取样观察，其TEM形貌如图2所示，从图2可以看出，材料中AlN增强相在铝基体中均匀弥散分布，AlN和铝基体之间微观界面之间无杂质且界面结合良好。

[0032] 作为对比，未添加AlN增强相的铝合金材料，制备方法是直接将相应的合金粉末（对于本实施例，粉末是Al‑Si系合金粉）直接填充入模具中，经冷等静压压制+空气炉烧结后（烧结温度600℃，时间为0.5h）获得的。

[0033] 采用本发明制备的高强高导热铝合金材料，晶粒尺寸由未添加AlN增强相的500μm左右下降到约60μm，两者晶粒尺寸照片如图3和图4所示。由于显著的细晶强化效果，材料的抗拉强度由210MPa提高到260Mpa；由于高热导率的AlN的加入，使材料的热导率也从150.8 W/(m·K)上升到172.3 W/(m·K)，获得了兼顾力学性能和导热性能的铝合金材料。

[0034] 实施例2

[0035] 本实施例涉及一种Al‑Cu系高强高导热铝合金材料的制备方法，具体步骤如下：

[0036] （1）取三乙基铝溶解于二甲基乙酰胺中，滴入氨水获得混合溶液，其中，三乙基铝、二甲基乙酰胺和氨水的摩尔比为1:0.4:0.23。将混合溶液放入恒温水浴锅中，在80℃下保温4h，冷却得到含三乙基铝酰胺中间体的溶液。

[0037] （2）利用高速离心机将三乙基铝酰胺中间体从溶液中分离出来，并将其放入球磨罐中，同时称取粒径为200nm的ZL203合金（中国牌号，Al‑Cu系合金）粉末放入球磨罐，其中，铝合金粉末与三乙基铝酰胺中间体的摩尔比为1:0.3；在0.5Pa的真空度和100r/min转速下，球磨4h。

[0038] （3）将球磨后的混合粉体放入真空高温炉中，高温炉的真空度为1Pa，温度为450℃，保温时间1h，获得氮化铝和Al‑Cu系合金的混合粉体。

[0039] （4）将纳米级的AlN和Al‑Cu系合金混合粉体填充入模具中，经热等静压压制和空气烧结后（烧结温度630℃，时间为0.5h）即可获得高强高导热铝合金材料。

[0040] 作为对比，未添加AlN增强相的铝合金材料，制备方法是直接将相应的合金粉末（对于本实施例，粉末是Al‑Cu系合金粉）直接填充入模具中，经热等静压压制+空气炉烧结后（烧结温度630℃，时间为0.5h）获得的。

[0041] 采用本发明制备的高强高导热铝合金材料，晶粒尺寸由未添加AlN增强相的560μm左右下降到约80μm。由于显著的细晶强化效果，材料的抗拉强度由205MPa提高到278MPa。由于高热导率的AlN的加入，使材料的热导率也从154.9 W/(m·K)上升到179.6 W/(m·K)，获得了兼顾力学性能和导热性能的铝合金材料。

[0042] 实施例3

[0043] 本实施例涉及一种Al‑Mg系高强高导热铝合金材料的制备方法，具体步骤如下：

[0044] （1）取三异丁基铝溶解于二甲基乙酰胺中，滴入氨水获得混合溶液，其中，三异丁基铝、二甲基乙酰胺和氨水的摩尔比为1:0.7:0.05；将混合溶液放入恒温水浴锅中，在65℃下保温6h，冷却得到含三异丁基铝酰胺中间体的溶液。

[0045] （2）利用高速离心机将三异丁基铝酰胺中间体从溶液中分离出来，并将其放入球磨罐中，同时称取粒径为50nm的ZL303合金（中国牌号，Al‑Mg系合金）粉末放入球磨罐，其中，铝合金粉末与三异丁基铝酰胺中间体的摩尔比为1:0.1；在0.01Pa的真空度和400r/min转速下，球磨8h。

[0046] （3）将球磨后的混合粉体放入真空高温炉中，高温炉的真空度为0.1Pa，温度为350℃，保温时间3h，获得氮化铝和Al‑Mg系合金的混合粉体。

[0047] （4）将纳米级的AlN和Al‑Mg系合金混合粉体填充入模具中，经快速烧结后（烧结温度580℃，时间为1h）即可获得高强高导热铝合金材料。

[0048] 作为对比，未添加AlN增强相的铝合金材料，制备方法是直接将相应的合金粉末（对于本实施例，粉末是Al‑Mg系合金粉）直接填充入模具中，经快速烧结后（烧结温度580℃，时间为1h）获得的。

[0049] 采用本发明制备的高强高导热铝合金材料，晶粒尺寸由未添加AlN增强相的450μm左右下降到约36μm。由于显著的细晶强化效果，材料的抗拉强度由148MPa提高到189MPa。由于高热导率的AlN的加入，使材料的热导率也从125.6 W/(m·K)上升到160.7W/(m·K)，获得了兼顾力学性能和导热性能的铝合金材料。

[0050] 实施例4

[0051] 本实施例涉及一种Al‑Zn系高强高导热铝合金材料的制备方法，具体步骤如下：

[0052] （1）取二氯乙基铝溶解于二甲基乙酰胺中，滴入氨水获得混合溶液，其中，二氯乙基铝、二甲基乙酰胺和氨水的摩尔比为1:0.5:0.17。将混合溶液放入恒温水浴锅中，在70℃下保温4.5h，冷却得到含二氯乙基铝酰胺中间体的溶液。

[0053] （2）利用高速离心机将二氯乙基铝酰胺中间体从溶液中分离出来，并将其放入球磨罐中，同时称取粒径为150nm的ZL402合金（中国牌号，Al‑Zn系合金）粉末放入球磨罐，其中，铝合金粉末与二氯乙基铝酰胺中间体的摩尔比为1:0.15；在0.4Pa的真空度和200r/min转速下，球磨6.5h。

[0054] （3）将球磨后的混合粉体放入真空高温炉中，高温炉的真空度为0.8Pa，温度为370℃，保温时间2.5h，获得氮化铝和Al‑Zn系合金的混合粉体。

[0055] （4）将纳米级的AlN和Al‑Zn系合金混合粉体填充入模具中，经放电等离子烧结（烧结温度590℃，时间为0.8h）即可获得高强高导热铝合金材料。

[0056] 作为对比，未添加AlN增强相的铝合金材料，制备方法是直接将相应的合金粉末（对于本实施例，粉末是Al‑Zn系合金粉）直接填充入模具中，经放电等离子烧结后（烧结温度590℃，时间为0.8h）获得的。

[0057] 采用本发明制备的高强高导热铝合金材料，晶粒尺寸由未添加AlN增强相的480μm左右下降到约73μm；由于显著的细晶强化效果，材料的抗拉强度由235MPa提高到287Mpa；由于高热导率的AlN的加入，使材料的热导率也从138 W/(m·K)上升到157W/(m·K)，获得了兼顾力学性能和导热性能的铝合金材料。